扎西水电站初步设计

扎西水电站初步设计水轮机选型说明书学校：武汉大学院系：动力机械学院专业：能源动力及其自动化姓名：王春刚学号：2008302650085指导老师：于波日期：2011/06/30目录水轮机选型课程设计 (3)一、ZX水电站水轮机选型计算 (4)1.ZX水电站基本资料 (4)2.选型计算过程 (5)3.确定水轮机的安装高程 (6)二、绘制水轮机运转综合特性曲线图 (8)1.绘制等效率曲线: (8)2.绘制功率限制线： (12)3.绘制等吸出高度线： (13)4.绘制运转综合特性曲线： (14)三、蜗壳水力设计 (14)四、水轮机尾水管设计 (18)五、参考文献 (18)六、附录 (18)2【摘要】实际运用水轮机选型和设计的基本原理和过程，查阅相关设计资料，对扎西水电站的蜗壳，水轮机参数，尾水管等进行了设计，并绘制了原型水轮机的运转综合特性曲线图。

设计过程中利用了autocad，matlab，office和photoshop等实用工具软件，利用各个软件的优势自动处理数据和作图，增强了数据的精确度和效率。

【关键字】水电站混流式水轮机蜗壳尾水管特性曲线【abstract】Practical application of hydraulic turbine type design and basic principle and process, related to design data,the spiral,turbine hydropower ZX,parameters,etc,and draw the prototype design of turbine performance curve.The design process,using autocad,office and matlab tools,such practical photoshopusing various software automatic data processing and mapping.enhance the accuracy and efficiency of the data.【key word】Hydropower station mixed-flow turbinevolute draft tube characteristic curve水轮机选型课程设计一、ZX水电站水轮机选型计算1.ZX水电站基本资料ZX水电站位于长江流域资水干流。

ZX水库坝址以上控制流域面积22640平方公里，年径流总量196亿立方米，水库总容量35.7亿立方米，调节库容22.6亿立方米，是一座以发电为主，兼顾防洪、航运、养殖等综合利用的不完全年调节水库。

水库流域地处亚热带季风气候，每年4~6月雨水集中，占年总雨量的50~ 60%，夏秋季多干旱，径流分配不均，丰枯流量变化大。

实测最大流量为10400秒立方米，实测最小流量为39.4秒立方米。

ZX水库地理位置优越，库容较大。

坝址地形条件好，坝址岩石为石英沙岩。

坝型为单支墩大头坝。

电站为岸边式厂房，位于大坝右边。

有公路与电站相通，交通比较方便。

河流水质较好，泥沙含量不大。

ZX水电站建成后将投入省区电网运行，电力系统设计水平年最大负荷为2000MW。

该电站将成为电力系统的主力电站，担负系统调频、调峰的重要任务。

通过流域规划和动能经济比较，电站特征参数如下。

电站形式：坝后式，岸边厂房，单元引水，具有不完全年调节水库总装机容量：450MW电站水头：Hmax=73.6m Ha=65.76m Hmin=46.8m Hr=59.8m水电站最低尾水位：94.6m电网最大负荷：2000MW电站在系统中的作用：系统主力电站。

担负系统调频、调峰的重要任务其他：装机容量450MW；保证功率（P=0.9）123MW；年平发电量22.9亿度；2.选型计算过程1)机组选择总装机容量为450MW，初步拟定机组台数为4台.8台则单机容量为112.5MW.56.25MW。

首先对四台机组情况进行计算水电站为坝后式，额定水头为：Hr=59.8m，比转速sn=又因为有效水头范围为46.8~65.76m，根据水轮机机型谱，参看设计手册P51，选择HL220-46（30~70的工作头）2)计算水轮机参数3)水轮机转轮标称直径D1;水轮机额定功率Pr=Ng/ηg=112.5MW/0.98=114796KWηg为同步发电机效率，此设ηg为0.98；Pg为每台机的出力。

查转轮谱参数（课本P329），得：设计单位流量Q11=1140L/s,设计单位转速n11=71r/min，最优单位转速n110=70r/min取最优单位转速与功率限制线的交点，查模型综合特性曲线得：Q11r=1140L/min，对应的模型效率为ηM=0.89取效率修正值Δη=3％（Δη=0.02~0.03）则额定工况原型水轮机ηp=ηM+Δη=0.89+0.03=0.92水轮机转轮直径为：1 4.91D m ===查设计手册P51，介于450到500之间。

450不能保证发出额定功率，故取标准值D1=500cm=5.0m4)水轮机额定转速n;n 108.3===查看水轮机设计手册P54表4-1，n 介于107~125之间，选n=125r/min 5)水轮机效率修正及换算;max 01(1)1(10.92)0.95m ηη=−−=−−=000.950.920.03p m ηηη∆=−=−=额定工况水轮机的效率为0.890.30.92m ηηη=+∆=+=6)水轮机最大允许吸出高度Hs ；由课本P328附表2得σM=0.133，根据以往设计经验取空蚀安全系数K=1.694.61010 1.60.13359.8 2.831900900s m r E H K H δ=−−=−−××=−E 为电站海拔高程，即最低尾水位7)水轮机飞逸转速nR课本P82表5−4得：n11R=133111133228.2(/min)R Rn n r ===3.确定水轮机的安装高程选立轴混流式，由水轮机转轮型谱得：导叶相对高度为0.25D1=5m ，则b0=0.25×5=1.25m ，安装高程Ei=Hs+E+b0=-2.831+94.6+1.25=93.019m 4.检验水轮机工作范围1）额定工况的单位流量3112 1.52 1.51114796 1.100(/)9.819.81559.80.92rr r P Q m s D H η===×××2）最大最小平均水头对应的单位转速11min 72.85(/min)n r ===11max 91.36(/min)n r ===1177.07(/min)w n r ===5.对八台机组情况进行计算1）计算转轮直径水轮机额定出力：/56.25/0.9857398r g g P n MW KWη===1 3.47D m===计算值处于标准值3.3m 和3.8m 之间，故取标准值1D =3.3m2）计算原型水轮机的效率max 01(1)1(10.92)0.979m ηη=−−=−−=max 0.9790.920.059mo ηηη∆=−=−=0.890.0590.949m ηηη=+∆=+=3）同步转速的选择1164.03/minn r ==此值介于150r/min 和166.7r/min 之间，且接近166.7r/min，所以取n=166.7r/min。

4）飞逸转速的计算345.7(/min)r n r ===5）检验水轮机工作范围额定工况的单位流量311 1.52 1.52157398 1.22/9.819.8159.8 3.30.949r r r P Q m s H D η===×××在最大最小平均水头下对应的转速分别为11min 63.09(/min)n r ===11max 79.13(/min)n r ===1166.73(/min)w n r ===二、绘制水轮机综合运转特性曲线1.绘制等效率曲线:a.在excel 中做出等效率曲线计算表。

由于交点多，人工读数误差大，因此数据的取得采用matlab 的读图imread 函数和取点ginput 函数完成。

下面程序中的model.jpg 为HL220-46模型特性图。

程序代码如下：i=imread('E:\model.jpg');imshow(i);在command 窗口输入：[x,y]=ginput(4)，取图片边界四个点用于图片坐标和屏幕坐标的转换x1=0.7,x2=577,y1=0.9,y2=321;%由[x,y]得出dx=(x2-x1)/1000,dy=(y2-y1)/55;line([x1,x2],[(100-H)*dy+y1,(100-H)*dy+y1]);%H 为水头A=ginput();%取得交点的屏幕坐标B=A2B(H);%交点横坐标转换为模型图上的流量，函数代码略。

b.下图是Hmax 对应的数据，利用excel 的格式套用功能，可以将一行的公式应用到全部而方便计算。

表中流量即程序中的B，可以直接从工作空间复制到excel里面。

将程序中H换成Hmax,Hmin,Hr和另外自己选的水头，得到不同的数据，然后用同样的excel表记录下来。

c.得到以上各水头对应的功率P和效率η，就可以绘制等效率线了。

仍采用matlab绘制曲线，程序代码如下：A1=polyfit(x1,y1,2);%x1=p,y1=η，2次多项式拟合plot(x1,y1,'rx');hold on;for i=min(x1):(max(x1)-min(x1))/800:max(x1)z1=polyval(A1,i);plot(i,z1,'r-');end等效率曲线如下：x1,y1为对应水头H的功率和效率，改变H对应的功率和效率，就能得到不同的曲线。

d.在曲线η=f(P)上，过某效率作水平线与曲线相交，定位交点的H、P值。

数据记录如下（部分未列出）：2.绘制功率限制线：原型水轮机的功率限制线表示水轮机在不同水头下可以发出或允许发出的最大功率。

在最大水头和额定水头之间，水轮机的功率受发电机额定功率的限制，是一条P=Pr 的垂直线。

在额定水头和最小水头之间，原型水轮机的功率限制线一般由模型综合特性曲线的5％功率限制线换算而得到。

在模型综合特性曲线上取若干点，根据各点的效率、单位流量经相似计算求出对应的水头H 与功率P ，光滑连接各点即为Hmin~Hr 范围内的功率限制线。

功率限制线图如下：3.绘制等吸出高度线：4.1.计算各水头相应的模型单位转速n11M,并在模型综合特性曲线上查出各相应的σ，Q11M 和ηM 值。